基于RS和GIS的中心城区土地利用变化及生态系统服务价值分析

黄傅强 许德莉 齐增湘

摘要 为了明确城市中心城区土地利用变化对区域内生态系统服务价值的影响。以衡阳市中心城区为研究区域，结合RS和GIS分析2000—2010年土地利用变化特征，在此基础上采用单位面积价值当量因子对中心城区的生态系统服务价值（ESV）变化进行测算，并运用马尔科夫模型预测了在历史趋势发展情景下2030年衡阳市中心城区土地利用及生态系统服务价值变化情况。结果表明：①衡阳市中心城区土地利用以耕地、林地、水域和建设用地为主，2000—2010年耕地、林地、草地和未利用地面积呈下降趋势，建设用地和水域面积呈增加趋势;各土地利用类型在数量和空间上转换显著。②研究期内生态系统服务价值呈下降趋势，2000—2010年衡阳市中心城区生态系统服务价值由24.59亿元下降到23.65亿元，水域和林地为对中心城区生态系统服务价值贡献最大的地类。③根据马尔科夫模型的预测结果，2030年衡阳市中心城区耕地和林地会大幅减少，建设用地会大幅增加。衡阳市中心城区除水域生态服务价值呈上升趋势外，其他用地生态价值均呈下降趋势，总的生态系统服务价值也将继续呈下降态势。在新型的城镇化扩张中，需要慎重权衡城市发展与生态保护的关系。

关键词 土地利用;城市中心城区;生态系统服务价值;马尔科夫模型;衡阳市

中图分类号 S181.6文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2019）19-0043-05doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.19.015

Abstract In order to clarify the impact of land use change in urban central areas on the value of ecological services.Taking the central areas of Hengyang city as the research area， combining RS and GIS to analyze the characteristics of land use change from 2000 to 2010， using the value equivalent factor method to measure the changes of ecosystem service value （ESV），then using the Markov model to predict the ecological service values of various land types in the central areas of Hengyang City under the historical trend development scenario.The results showed that：First，the land use in the urban central areas of Hengyang City is dominated by cultivated land， forest land， water area and construction land.The area of cultivated land， forest land， grassland and unused land is reducing， however the area of construction land and water area is increasing.The type of land use has changed significantly in quantity and space from 2000 to 2010.Second，the value of ecological services showed a downward trend during the study period.From 2000 to 2010，the value of ecological services dropped from 24.59×108 yuan to 23.65×108 yuan.The value of ecological services in waters and forests play important roles in the total ecological service value of the urban central area.Third，the results of Markov model suggested that the cultivated land and forest land will be greatly reduced.The ecological value of water resources will increase，however the ecological value of other land uses will decrease， the value of total ecosystem services will still continue to decline in 2030.We need to carefully weigh the relationship between urban development and ecological protection in the future.

Key words Land use;Urban central areas;Ecosystem service value （ESV）;Markov model;Hengyang City

生態系统服务是在生态系统和生态过程中所形成的人类赖以生存和发展的自然环境条件和效用[1]，核算生态系统服务价值（ecosystem service values，ESV）可为人类生活和生产质量，社会可持续发展水平以及绿色GDP提供科学依据，具有十分重要的科学价值和现实意义[2]。土地利用/覆被变化（LUCC）是影响全球环境变化的主要原因和重要组成部分[3]，其对生态系统服务功能起决定性作用。在快速城镇化发展进程中，人类对土地的不恰当利用导致生态环境影响日益凸显，特别是在GDP导向理念下忽略生态环境影响的土地开发利用活动，引起水质净化[4]、土壤保持[5]、生物多样性[6]、养分循环[7]和调节气候[8]等功能受到严重破坏等问题，造成生态系统服务功能的削弱与退化，严重影响到区域生态系统平衡。为此，不同学者采用不同方法对土地利用变化造成的生态系统服务功能变化进行了研究[9]。但是从研究的空间尺度来看，现有研究主要侧重对大范围的区域尺度进行研究，对城市中心城区尺度的生态系统服务价值研究相对薄弱。中心城区是城市发展的核心区域，同时也是城市人口聚集和各项城市活动集中发生的地域。在我国快速城镇化进程中，中心城区面临的资源与环境的压力日益凸显。

综合上述背景和问题，该研究利用衡阳市中心城区2000和2010年的Landsat TM遥感解译数据，在对两期土地利用解译的数据分析对比的基础上，结合单位面积价值当量因子估算分析生态系统服务价值动态变化，揭示城市中心城区土地利用和生态服务价值变化特征，并利用马尔可夫模型预测了2030年衡阳市中心城区的土地利用和生态系统服务价值变化，为城市决策者合理布局土地资源提供科学依据。

1 数据来源与研究方法

1.1 研究区概况 衡阳市地处湖南省中南部（110°32′16″～113°16′32″E、26°07′05″～27°28′24″N），湘江中游，衡山之南，是湖南省域副中心城市、中南地区重要工业城市、区域性物流中心、国家生态文明先行示范区。衡阳市在环长株潭城市群和湘南地区的发挥着区域中心作用和承担带动湘南地区发展的重任。本文研究区域为衡阳市中心城区，包括石鼓区、雁峰区、珠晖区和蒸湘区。中心城区作为衡阳市区域经济的龙头，经济与社会发展迅速驱使中心城区面积不断扩张，造成土地利用和区域生态系统服务价值发生了剧烈的变化，从而导致了众多环境问题。

1.2 数据来源与处理 该研究利用衡阳市中心城区2000、2010年同期的Landsat TM遥感影像，分辨率为30 m×30 m。根据研究目的和范围，采用目视解译方式，按照《土地利用现状分类（GB/T 21010—2007）》将研究区内土地利用类型划分为6类：耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地，结果如图1所示。经过验证，此次2000及2010年的影像分類Kappa系数分别为86.5%、88.7%，可用于对衡阳市中心城区的实际土地利用变化情况进行分析。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用转移矩阵。土地利用/覆被类型的转换是指人类在改造土地资源过程中导致的不同地类之间的相互转化和土地利用结果发生变化的现象[10]。土地利用转移矩阵作为定量研究土地利用转换过程中不同地类间相互转化数量和方向的主要方法，其数学表达式为：

1.3.2 马尔科夫模型。马尔科夫模型作为一种特殊的随机运动过程，经常运用于预测土地利用数量变化，因为土地利用动态变化的过程可视为无后效性的卡尔科夫过程[11]。其计算公式可表示为：

1.3.3 生态系统服务价值核算。生态系统服务价值当量因子是生态系统产生服务的相对贡献率。谢高地等的研究成果表明1个生态系统服务价值当量因子的经济价值等于当年全国平均粮食单产市场价格的1/7[9]。生态系统服务价值当量因子的价值量计算公式如下：

式中，ESV为生态系统服务价值（元）;Ai是土地利用类型i的面积（hm2）;VCi是单位面积土地利用类型i的生态系统服务功能总价值（元/hm2·a）;ESVf为生态系统第f项服务功能价值（元）;VCfi是单位面积土地利用类型i的生态系统服务功能总价值（元/hm2·a）。

由于谢高地等计算出的单位面积生态系统服务价值单量是以全国为研究区域计算得出，为体现出区域差异，该研究以湖南省2001—2010年平均粮食产量5 641.27 kg/hm2为基准单产[12]，按3.5元/kg计算，得出衡阳市1个生态系统服务价值当量因子的经济价值VC0约为2 820.63元/hm2。再根据谢高地等提出的单位面积生态系统服务价值表，计算出衡阳市中心城区各类土地利用类型的单位面积生态系统服务价值系数。对于建设用地的生态系统服务价值，许多学者都是根据谢高地等的研究成果将其赋值为0。但后续学者[2，16-17]的研究成果表明，建设用地也具有气体调节、水文调节和废物处理等生态系统服务功能。然而建设用地生态系统价值的核算涉及的问题复杂、数据获取困难，导致无法完全量化其生态系统价值。因此该研究的建设用地生态系统服务价值系数根据郑江坤等[15]的研究成果取值，最终得到衡阳市中心城区不同用地类型的单位面积生态服务价值（表1）。

2 结果与分析

2.1 土地利用变化 2000—2010年衡阳市中心城区的土地利用构成以及变化情况见表2。

由表2可得，耕地、林地、水域和建设用地为衡阳市中心城区最主要的用地类型。2000—2010年衡阳市中心城区各土地利用数量均发生了不同程度的变化，主要表现为耕地和林地面积大幅度减少，建设用地面积大幅度增加。2000—2010年，耕地为面积减少最多的地类，在11年间共减少了2 277.63 hm2，变化率为8.69%。第二为林地，在11年间共减少了1 384.02 hm2，变化率为9.32%。第三为草地，11年间共减少了103.05 hm2，变化率为21.22%。最后为未利用地，11年间共减少了16.92 hm2，变化率为30.62%。可以看出在研究期内，随着城镇化进程的加快使得中心城区内大量的耕地和林地转化成建设用地，满足城市发展的需求。与此相反，建设用地为面积变化幅度最大的地类，在11年间内共增加了3 520.26 hm2，变化率为56.94%。水体在研究期内变化幅度较小，11年间水体面积共增加了261.36 hm2，变化率为7.16%。

2.2 土地转移情况 该研究利用马尔科夫模型以及在ArcGIS 10.2软件中对2000、2010年2期土地利用现状数据进行叠加分析，得到衡阳市中心城区土地利用转移矩阵（表3）以及土地利用在空间上的转换情况（图2）。

2.2.1 耕地转移。2000—2010年，衡阳市中心城区耕地数量急剧下降。耕地转出的面积高达3 121.65 hm2，主要转向建设用地，其次为水体和林地。转出面积分别为2 264.22、426.78、425.61 hm2。由图3可以看出，耕地变化最为剧烈的地方在城市西北、西南部。因为该区域地势平坦，随着衡阳市对城市基础设施投资力度的加大，武广客运专线、京珠高速复线、衡邵高速公路、湘桂铁路及其复线、茶山坳物流园、高新技术产业开发区和白沙洲工业园区的建设无不增加了对土地的需求，导致城市建设用地不断向外扩张，大量侵占耕地。

2.2.2 林地转移。衡阳市中心城区林地的面积入不敷出，砍伐、占用和恢复并存。2000—2010年，林地转出的面积为1 908.27 hm2，主要向耕地和建设用地转化，转出面积分别为415.35、1391.85 hm2;其次为水体和未利用地，转出面积分别为60.84、37.71 hm2;转为草地的面积最小，为2.52 hm2。在转入的面积中，林地共转入524.25 hm2，主要由耕地转化而来，转入面积为425.61 hm2。由图3可得，林地空间变化最剧烈的地区分布在城市的西北和东南部，这主要因为城市建设的需求以及部分耕地退耕还林所致。

2.2.3 草地转移。草地面积虽然变化幅度较大，但变化的面积数量相对较少。2000—2010年内草地转出的面积为109.98 hm2，主要转向林地和建设用地，转出面积分别为5715、31.95 hm2;其次为耕地和水体，转出面积分别为1296、792 hm2。在草地转入面积方面，仅有6.93 hm2转入，主要为耕地和林地。由图3可得，草地面积变化最剧烈的区域分布在中心城区周边，主要由于高新技术产业开发区建设导致。北部和东部有小部分草地转变为生态价值更高的林地和水体。

2.2.4 水域转移。衡阳市中心城区内，水体面积呈现缓慢增长的趋势。2000—2010年水体转出面积约为转入面积的一半，其中水体主要转向耕地和建设用地，其次为林地，转出面积分别为154.62、91.89、39.33 hm2。在水体转入面积方面，耕地转入面积占78%，为转入水体最多的用地。其次转入面积依次为林地、建设用地、未利用地和草地。在中心城区中部和南部有小部分水体变成变为建设用地和耕地。但是随着人类对生态环境保护意识的加强，以及东洲岛湖湘文化公园、南郊森林公园和雁栖湖公园等的建设，故水体面积有所增加。

2.2.5 建设用地转移。2000—2010年，建设用地是衡阳市中心城区增长最快的土地利用类型。建设用地转出的面积为296.55 hm2，其中主要转向耕地，面积为249.39 hm2。剩下小部分转成林地和水体。研究期间内共有3 816.81 hm2转入到建设用地。其中耕地和林地转入的面积占比最大，占转入面积的95.79%。还有一小部分由草地、水体和未利用地转化而来，面积分别为57.15、91.89、11.70 hm2。农村建设用地转向耕地是建设用地变化的主要原因，这主要是因为城镇化使得大量农村居民向中心城区转移，导致城市规模扩张侵占耕地。为实现耕地占补平衡，将原有农村建设用地变为耕地。有小部分农村建设用地转化为水体和林地，这主要是雁栖湖公园建设影响所致。

2.2.6 未利用地转移。2000—2010年，未利用地转出和转入面积相差不大，为55.26 hm2，转向耕地、林地、水体和建设用地的平均面积为13.82 hm2。在转入面积方面，林地转入占98.36%，为转入未利用地最多的用地，剩下小部分由耕地转入。这主要因为部分农村居民向中心城区南部转移，挖坑造塘、植树造林有关。

2.3 生态系统服务价值分析 根据上述衡阳市中心城区的土地利用构成以及生态系统服务价值的计算公式可以计算出2000—2010年中心城区的生态系统服务价值变化情况，结果见表4。

由表4可得，林地和水体对中心城区的生态系统服务价值贡献最大，其次为耕地。2000—2010年衡阳市中心城区生态系统服务价值由24.59亿元下降到23.65 亿元，11年间减少了3.8%。造成中心城区生态系统服务价值减少的主要的原因为耕地和林地生态系统服务价值的迅速减少以及建设用地给生态系统服务价值带来的负效应逐渐增加。2000—2010年，由于耕地被建设用地侵占、退耕还林等原因，生态系统服务价值总量减少了0.25亿元。林地由于西南部及东北部的毁林开耕以及被建设用地的侵占，致使林地生态系统服务价值总量减少0.90亿元。衡阳市社会经济和城市的快速发展导致建设用地的快速扩张使得建设用地的生态系统服务价值的年变化率高达56.94%，说明建设用地给区域带来的生态价值负作用越来越大。水体的生态系统服务价值总量呈现增长的态势，由于湘江、耒水、蒸水和其他一些水库坑塘在土地利用总面积中占有一定比例，且单位面积的水体生态系统服务价值量最高，因此对衡阳市中心城区总体的生态系统服务价值总量的影响较大。草地和未利用地的生态系统服务价值虽然变化幅度较大，但因为其占土地利用总面积比例较低，所以对区域生态系统服务价值造成的影响较小。

2.4 历史趋势发展情景下情境下生态系统服务价值预测分析 利用马尔科夫模型预测在历史趋势发展下2030年衡阳市中心城区各类土地利用类型的面积，结合上述生态系统服务价值的计算公式可核算出衡阳市中心城区在2030年生态系统服务总价值，以及各类用地的生态系统服务价值，结果如表5所示。

从表5可以看出，2010—2030年衡阳市中心城区建设用地和水体面积呈增长趋势，所占面积比例分别由2010年的18.86%、7.61%上升至2030年的29.76%、8.33%;耕地、林地、草地和未利用地面积呈下降趋势，所占面积比例分别由2010年的46.52%、26.18%、0.74%和0.07%下降到2030年的39.76%、21.62%、0.47%和0.06%。这表明随着城市的快速发展，未来衡阳市中心城区的建设用地的发展与生态用地的保护矛盾将进一步加剧，相应的生态用地保护将会面临严峻的挑战。同时衡阳市中心城區的生态系统服务总价值会呈继续下降的趋势，由2010年23.65亿元下降到2030年的21.94亿元。从预测的各类用地的生态系统服务价值来看，耕地和林地的生态系统服务价值的下降以及建设用地对生态系统服务价值带来负效应的加剧是造成中心城区生态系统服务总价值下降的主要原因。未来耕地和林地是生态系统服务价值变化最大的地类，并且林地的生态系统服务价值下降幅度要大于耕地下降幅度。水体和建设用地的生态系统服务价值呈现缓慢增长的趋势，草地和未利用地的生态系统服务价值变化幅度较小。

3 结论

该研究以衡阳市中心城区为例，以土地利用变化为基础对研究区生态系统服务价值进行研究，主要结论如下：

（1）2000—2010年衡阳市中心城区土地利用以耕地、林地、水域和建设用地为主。在快速城镇化进程中，2000—2010年间衡阳市中心城区各土地利用类型均发生了不同程度的变化。其中建设用地和水体的面积分别增加3 520.26、261.36 hm2;耕地、林地、草地和未利用地面积分别减少2 277.63、1 384.02、103.05和16.92 hm2。

（2）从土地利用变化转移矩阵来看，耕地和林地是转移土地面积最多的地类，两者都属于入不敷出的类型，林地主要转化成耕地和建设用地，耕地主要转化成林地、建设用地和水体。建设用地将在未来变化中呈主导地位，为转入面积最多的地类。水体面积呈现缓慢增长的趋势，草地和未利用地转入面积和转出面积相差不大。从土地利用转移的空间上来看，耕地变化最为剧烈的地方在城市西北、西南部;林地空间变化最剧烈的地区分布在城市的西北和东南部;草地面积变化最剧烈的区域分布在中心城区周边;未利用地转出和转入面积相差不大;建设用地和水体都为转入面积大于转出面积的地类。

（3）2000—2010年衡阳市中心城区土地利用的生态系统服务价值变化显著，2000年24.59亿元下降到2010年的

进行评价，评价结果见表1。从评价结果可以看出，湿地入口S1处的水质为Ⅴ类，湿地出口S3的水质则达到了 Ⅱ 类，说明人工湿地对于改善水质状况有着明显的作用。

3 结论与讨论

水体经过人工湿地后，pH相对稳定，湿地对水中主要污染物COD、NH3-N、TN、TP的降解效果明显，但TN、TP仍维持在较高的水平，不能满足地表水环境质量标准。故建议通过生物调控技术完善湿地水体生态系统，进一步增加生态修复措施，降低河道发生水体富营养化的风险。经水质评价，湿地出口处S3的水质达到了Ⅱ类，说明人工湿地对于改善水质状况有着明显的作用。当然，仅根据监测指标进行水质评价尚存在缺陷，下一步应增加BOD5、SS及重金属等指标以实现对洨河水质的全面分析。

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